ZigBee技术在配电自动化系统中的应用分析

张建忠

（国网山东省电力公司乐陵市供电公司，山东德州，253600）

0 引言

对配电自动化系统进行建设时，通信系统是重要的一环，应以高新技术手段为依托，配电自动化把控制中心发出的指令传给各个执行机构与远方的智能终端，并且，将智能终端所采集的数据传输给控制中心，近年来，新兴的ZigBee技术已经开始应用于配网自动化系统中，在我国电力行业得到了广泛应用。得到了人们的一致认可。

1 ZigBee技术的概况

ZigBee技术是低速率、短距离的一种新兴无线通信网络技术，其介于蓝牙技术与无线标记技术之间。该技术具有功耗低、时延小、速率低、距离适中等诸多优点，充分对无线通信技术缺点进行了弥补，也符合了自组织网络与传感器等无线传感器的网络需要。配电自动化的通信网络不会对带宽有过高要求，如果对功耗和时延要求较低，ZigBee技术就是不错的选择。该技术由最多六万五千个无线数据的模块共同组成无线数据传输平台，与当前的GSM网和CDMA网十分相似，各个ZigBee网络的数据模块和移动网络基站十分类似，他们可以在整个网络间互相通信。各个ZigBee网络的节点能够对几十个受控的设备与传感器进行支持，各个受控设备与传感器的终端能够有八种不相同接口方法，能够对模拟量与数字量进行传输与采集。配电自动化是通过采集各种配电的终端信息，完成控制和监测配电网的工作，并用有关系统信息的集成与计算分析采集的数据来科学地管理配电网。配变监测为10kV配电变压器监测，经过电能质量的监测、开关运行状态与采集的配变，并远程传输与管理采集到的数据，从而使配变管理的水平得到提高，使配电线路损耗降低，配电站TTU与DTU设备信息参数如表1所示。

表1 典型的配电自动化数据表

2 配电自动化系统中ZigBee技术的实际应用

2.1 引入ZigBee技术

根据相关配电自动化的试点工程方案，某供电公司的试点区会建立由各种通信方式混合而成的一个配电自动化系统。从组网方式来看，ZigBee技术适合配电站里面末端通信使用，不会需要过高的通信可靠性，传输的数据也相对单一，不会出现线缆难以施工的情况。该技术处于2.4G的频段时，其传输的速率最高能够达到250kb/s,ZigBee网络能够对一个主设备、252个从设备进行容纳，在一个区域中能够共同存在一百个ZigBee网络，能够完全达到配电自动化在通信流量方面的需求。很多配电站的供电没有AC220V，只能由电操机构、载波设备、终端设备来供电。而该技术使用休眠模式，具有收发信息的功耗低、工作的周期短等特点，与超级电容相关技术相结合，其供电问题能够得到解决。该技术还使用碰撞避免的机制，给对固定宽带有需求的业务留下了一定的时隙，防止在发送数据过程中出现冲突与竞争[1]。优化了时延敏感应用，以休眠状态进行激活的时延与通信的时延都比较短。针对数据有完整性的加权与检查功能，使用了AES128的加密算法，能够灵活地对每个应用自身的安全属性进行灵活确定，充分达到了配电自动化在实时性与安全性方面的要求。

2.2 测试无线覆盖

为了对ZigBee技术在具体配电自动化的站点之间覆盖信号情况，对ZigBee设备接收与发送情况进行测试，该供电公司让技术人员测试ZigBee技术的无线覆盖情况。以该供电公司辐射范围里某线路作为测试环境，信息汇集点与通信设备有网状分布、星型、簇状型分布三种，如图1所示。主要的测试方法为用ZigBee的通信软件对相同大小数据包进行发送，利用ZigBee通信设备组网把数据输送到信息的汇集点，当汇集点的设备对数据进行接收后，对两段数据与时间的内容差异进行分析。

图1 ZigBee的网络拓扑结构

2.3 测试的结果和相关分析

检测的项目包括场强、误包率、多路径检测。首先，场强是一个基本的测试指标，能够对这一测试点是否接受到ZigBee信号进行显示。其次，误包率是对信号质量的一个基本评价，可以显示出这一测试点信号出现的误包率，如果测试误包比能够接受的范围大，就能判断出这一测试点的接收情况不好，可按照其余测试的指标对ZigBee设备相关参数进行调整，从而使ZigBee覆盖的网络效果得以改善[2]。最后，多路径检测是一个参考指标，这一检测能够对接收效果是否受建筑物、环境的绕射和回波反射影响而效果不良进行判断。这次测试主要将住宅小区作为测试的环境，里面的住宅楼一般都小于8层，各个通信设备的终端距离小于300米，统一的接入点还没有确定，多路径的检测也没有进行测试。测试的最终结果显示测试线路中全部终端点都能够互联。

2.4 主站和配电子站通信

在该供电分公司管辖区域里配备七个通信汇集型的配电子站，将这些配电子站分别放到七个变电站里，然后在这些变电站中都安放嵌入式配电子站的系统，从而实现区域附近TTU与DTU等数据转发、处理、收集等功能。配电子站主要在DTU和配电主站处理、交换信息的一个中间站。总体结构参照配电自动化的系统来设计，为三层结构，这次设计的配电自动化方案用到的是通行汇集型的配电子站，它具有规约与转发为一体、信息的优先级筛选、数据集中等能力，没有恢复非故障区域的供电与自动判断故障区域的功能。配电子站和主站系统通信主要利用SDH光设备的2M接口进行。经过勘探路由，发现部分不具有敷设光缆的条件，同时配电网络相对比较复杂，适合使用ZigBee的通信方法。

2.5 ZigBee的终端通信

在该供电公司配电自动化项目中，土建站以就近汇聚为原则构建了ZigBee的通信网，各个子网都由电力载波网络或是中心设备对光纤网络进行接入，通过电力线载波、光纤、ZigBee的有机结合，使设备的多种控制信息与状态信息来双向传输。因此，将多个路由的节点和一个网络的协调器设置于通信子网里，各个路由的节点都对相应的检测区域负责，并和各个终端的节点共同组成子网，子网之间彼此对立，TTU/FTU/RTU和终端设备进行连接，以标识符来对所属路由节点进行确定。路由节点及其从属终端的节点一起形成一个星形网络，控制与采集配电自动化数据[3]。网络协调器和各个路由的节点通过多跳的方法进行通信，也就是说，路由的节点用多跳链路把终端节点的采集数据输送至网络协调器，且TTU/FTU/RTU设备和终端设备、终端节点相连，对电流与电压等信息进行采集，用无线网络将所采集信息发送至路由的节点。

网络协调器主要和各路由的节点进行通信，以对全部路由节点进行管理的方式完成网络化控制配电自动化的通信，通信主站不但是网络集群控制台，还是网络检测数据中心，对系统管理进行负责。通过路由节点和网络协调器的串联，延伸了面积，做到了分区化与大型化管理。按照配电站里采集数据的方式和传感器分布情况，应传输风机状态、水泵状态、电缆头温度、室内温湿度、变压器温度等综合信息，检测传感器要分布在不相同的房间里。在配电自动化的末端通信网中，组网的方式都遵循就近汇集原则，共同组建ZigBee的通信网，把数据全部汇集至ZigBee的中心节点，通过该节点把采集的遥测信息输送至配电站里的TTU或RTU，让多种控制信号与状态信息做到双向传输，提供给配电网自动化系统安全、可靠、高速的通信支撑。

3 结语

在配电自动化系统中应用ZigBee技术具有十分重要的意义。ZigBee技术以其低成本、低功耗的特点及高度集成的硬件架构、软件架构，让电力企业工作人员能够更加方便快捷地设计与应用最终的产品，未来在电力行业将会发挥更大的作用。